發(fā)酵工程-中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)

1、韓韓 北北 忠忠 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品學(xué)院食品學(xué)院Han Bei-zhong, Prof. PhDCollege of Food Science & Nutritional EngineeringChina Agricultural University 發(fā)發(fā) 酵酵 工工 程程Fermentation Engineering 1發(fā)酵工程 發(fā)酵已經(jīng)從過(guò)去簡(jiǎn)單的生產(chǎn)酒精類(lèi)飲料、生產(chǎn)醋酸和發(fā)酵面包發(fā)展到今天成為生物工程的一個(gè)極其重要的分支，成為一個(gè)包括了微生物學(xué)、化學(xué)工程、基因工程、細(xì)胞工程、機(jī)械工程和計(jì)算機(jī)軟硬件工程的一個(gè)多學(xué)科工程。 現(xiàn)代發(fā)酵工程不但生產(chǎn)酒精類(lèi)飲料、醋酸和面包，

2、而且生產(chǎn)胰島素、干擾素、生長(zhǎng)激素、抗生素和疫苗等多種醫(yī)療保健藥物，生產(chǎn)天然殺蟲(chóng)劑、細(xì)菌肥料和微生物除草劑等農(nóng)用生產(chǎn)資料，在化學(xué)工業(yè)上生產(chǎn)氨基酸、香料、生物高分子、酶以及維生素和單細(xì)胞蛋白等。 2FERMENTATIONProcess ControlFermentation engineering上游工程上游工程UPSTREAM PROCESSES下游工程下游工程DOWNSTREAM PROCESSES發(fā)酵工程組成從廣義上講，由三部分組成：從廣義上講，由三部分組成： 上游工程、發(fā)酵工程、下游工程3UPSTREAM PROCESSES- genetics, cell - inoculum deve

3、lopment- media formulation- sterilization- inoculationFERMENTATIONProcess Control上游工程上游工程Fermentation engineering4DOWNSTREAM PROCESSES- product extraction, purification & assay- waste treatment-by product recoveryFERMENTATIONProcess Control下游工程 The ratio of recovery to fermentation costs for L-a

4、sparaginase: 3.0 ethanol: 0.16Fermentation engineering5發(fā)酵工程主要指在最適發(fā)酵條件下，發(fā)酵罐中大量培養(yǎng)細(xì)胞和生產(chǎn)代謝產(chǎn)物的工藝技術(shù)(1) 有嚴(yán)格的無(wú)菌生長(zhǎng)環(huán)境： 包括發(fā)酵開(kāi)始前采用高溫高壓對(duì)發(fā)酵原料和發(fā)酵罐以及各種連接管道進(jìn)行滅菌的技術(shù)； 在發(fā)酵過(guò)程中不斷向發(fā)酵罐中通入干燥無(wú)菌空氣的空氣過(guò)濾技術(shù)；(2)在發(fā)酵過(guò)程中根據(jù)細(xì)胞生長(zhǎng)要求控制加料速 度的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)；(3)種子培養(yǎng)和生產(chǎn)培養(yǎng)的不同的工藝技術(shù)。6(4)在進(jìn)行任何大規(guī)模工業(yè)發(fā)酵前，必須在實(shí)驗(yàn) 室規(guī)模的小發(fā)酵罐進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，得到產(chǎn)物形成的動(dòng)力學(xué)模型，并根據(jù)這個(gè)模型設(shè)計(jì)中試的發(fā)酵要求

5、，最后從中試數(shù)據(jù)再設(shè)計(jì)更大規(guī)模生產(chǎn)的動(dòng)力學(xué)模型。(5)由于生物反應(yīng)的復(fù)雜性，在從實(shí)驗(yàn)室到中試，從中試到大規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)許多問(wèn)題，這就是發(fā)酵工程工藝放大問(wèn)題。 7微生物發(fā)酵技術(shù) 1857年法國(guó)化學(xué)家、微生物家巴斯德提出了著名的發(fā)酵理論：“一切發(fā)酵過(guò)程都是微生物作用的結(jié)果?！?巴斯德認(rèn)為，釀酒是發(fā)酵，是微生物在起作用；酒變質(zhì)也是發(fā)酵，是另一類(lèi)微生物在作祟；隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，可以用加熱處理等方法來(lái)殺死有害的微生物，防止酒發(fā)生質(zhì)變。 同時(shí)，也可以把發(fā)酵的微生物分離出來(lái)，通過(guò)人工培養(yǎng)，根據(jù)不同的要求去誘發(fā)各種類(lèi)型的發(fā)酵，獲得所需的發(fā)酵產(chǎn)品。 8利用微生物的特點(diǎn) 發(fā)酵工程所利用的微生物主要是細(xì)菌、

6、放線菌，酵母菌和霉菌 利用微生物的特點(diǎn)： (1)對(duì)周?chē)h(huán)境的溫度、壓強(qiáng)、滲透壓、酸堿度等條件有極大的適應(yīng)能力 (2)有極強(qiáng)的消化能力 (3)有極強(qiáng)的繁殖能力 9Use of Microorganisms Positive（益處）益處） Biomass Production Conversion Negative（危害）危害） Pathogens Spoilage10一、發(fā)酵的定義1 1、傳統(tǒng)發(fā)酵、傳統(tǒng)發(fā)酵2 2、生化和生理學(xué)意義的發(fā)酵、生化和生理學(xué)意義的發(fā)酵3 3、工業(yè)上的發(fā)酵、工業(yè)上的發(fā)酵111、傳統(tǒng)發(fā)酵 最初發(fā)酵是用來(lái)描述酵母菌作用于果汁或麥芽汁產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象，或者是指酒的生產(chǎn)過(guò)程。122

7、、生化和生理學(xué)意義的發(fā)酵 指微生物在無(wú)氧條件下，分解各種有機(jī)物質(zhì)產(chǎn)生能量的一種方式，或者更嚴(yán)格地說(shuō)，發(fā)酵是以有機(jī)物作為電子受體的氧化還原產(chǎn)能反應(yīng)。 如葡萄糖在無(wú)氧條件下被微生物利用產(chǎn)生酒精并放出CO2。133、工業(yè)上的發(fā)酵 泛指利用微生物制造或生產(chǎn)某些產(chǎn)品的過(guò)程 包括：1. 厭氧培養(yǎng)的生產(chǎn)過(guò)程，如酒精，乳酸等。2. 通氣（有氧）培養(yǎng)的生產(chǎn)過(guò)程，如抗生素、氨基酸、酶制劑等。 產(chǎn)品有細(xì)胞代謝產(chǎn)物，也包括菌體細(xì)胞、酶等。14二、發(fā)酵工業(yè)定義：是指利用生物的生命活動(dòng)產(chǎn)生的酶，無(wú)機(jī)或有機(jī)原料進(jìn)行酶加工，獲得產(chǎn)品的工業(yè)。15 適宜的微生物 保證或控制微生物進(jìn)行代謝的各種條件 進(jìn)行微生物發(fā)酵的設(shè)備 精制成產(chǎn)

8、品的方法的設(shè)備2.獲得發(fā)酵產(chǎn)品的條件16三、發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展歷史 天然發(fā)酵階段 純培養(yǎng)技術(shù)的建立：巴斯德，科赫等。人為地控制微生物的發(fā)酵進(jìn)程。 通氣攪拌發(fā)酵技術(shù)的建立： 青霉素的生產(chǎn)深層培養(yǎng) 代謝控制發(fā)酵技術(shù)：微生物進(jìn)行甾體化合物的轉(zhuǎn)化，Glu和Lys發(fā)酵生產(chǎn)。對(duì)微生物具有高度專(zhuān)一性的酶反應(yīng)作為合成手段的一部分加以利用，進(jìn)行合理的代謝。17 開(kāi)拓發(fā)酵原料時(shí)期： 石油發(fā)酵，醋酸生產(chǎn)谷氨酸 基因工程階段： 采用酶學(xué)的方法，將不同來(lái)源的DNA進(jìn)行體外重組，再把重組DNA設(shè)法轉(zhuǎn)入受體細(xì)胞內(nèi)，并進(jìn)行繁殖和遺傳下去。人們能夠根據(jù)自己的意愿將微生物以外的基因件導(dǎo)入微生物細(xì)胞中，從而達(dá)到定向地改變生物性狀與功能

9、創(chuàng)新的物種，使發(fā)酵工業(yè)能夠生產(chǎn)出自然界微生物所不能合成的產(chǎn)物。18History of applied microbiology Ancient times food preservation (vinegar, cheese) flavour (bread, soy sauce) brewing (beer, wine) 1861 Louis Pasteur first phase industrial biotechnology 1940 penicillin (Fleming) antibiotic industry production of fine chemicals19Histo

10、ry of applied microbiology 1973 rec DNA technology (Boyer & Cohen) 1982 rec human insulin（胰島素）胰島素） post recombinant DNA area since 1982 rec therapeutic agents（治療劑）治療劑） 1990 rec bakers yeast 1992 rec chymosine （凝乳酶）凝乳酶）(from yeast)20四、發(fā)酵工業(yè)的范圍1、以微生物細(xì)胞為產(chǎn)物的發(fā)酵工業(yè)2、以微生物代謝產(chǎn)物為產(chǎn)品的發(fā)酵工業(yè)3、以微生物酶為產(chǎn)品的發(fā)酵工業(yè)4、生物轉(zhuǎn)化

11、或修飾化合物的發(fā)酵工業(yè)5、微生物廢水處理和其他21微生物產(chǎn)物：微生物細(xì)胞，酶，藥物活性物微生物產(chǎn)物：微生物細(xì)胞，酶，藥物活性物質(zhì)，特殊化學(xué)物質(zhì)和食品添加劑質(zhì)，特殊化學(xué)物質(zhì)和食品添加劑221、生產(chǎn)微生物細(xì)胞物質(zhì) 定義：是以獲得具有多種用途的微生物菌體細(xì)胞為目的的產(chǎn)品的發(fā)酵工業(yè)，包括單細(xì)胞的酵母和藻類(lèi)、擔(dān)子菌，生物防治的蘇云金桿菌以及人、畜防治疾病用的疫苗等。 特點(diǎn)：細(xì)胞的生長(zhǎng)與產(chǎn)物積累成平行關(guān)系，生長(zhǎng)速率最大時(shí)期也是產(chǎn)物合成速率最高階段，生長(zhǎng)穩(wěn)定期產(chǎn)量最高。232、微生物酶發(fā)酵 酶的特點(diǎn)：易于工業(yè)化生產(chǎn)，便于改善工藝提高產(chǎn)量。 分類(lèi)：胞內(nèi)酶 和胞外酶 生物合成特點(diǎn)：需要誘導(dǎo)作用，或遭受阻遏、抑制

12、等調(diào)控作用的影響，在菌種選育、培養(yǎng)基配制以及發(fā)酵條件等方面需給予注意。243、微生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵 包括初級(jí)代謝產(chǎn)物、中間代謝產(chǎn)物和次級(jí)代謝產(chǎn)物。 對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期形成的產(chǎn)物是細(xì)胞自身生長(zhǎng)所必需的，稱(chēng)為初級(jí)代謝產(chǎn)物或中間代謝產(chǎn)物。 各種次級(jí)代謝產(chǎn)物都是在微生物生長(zhǎng)緩慢或停止生長(zhǎng)時(shí)期即穩(wěn)定期所產(chǎn)生的，來(lái)自于中間代謝產(chǎn)物和初級(jí)代謝產(chǎn)物。254、微生物的生物轉(zhuǎn)化 定義：是利用生物細(xì)胞對(duì)一些化合物某一特定部位（基團(tuán)）的作用，使它轉(zhuǎn)變成結(jié)構(gòu)相類(lèi)似但具有更在經(jīng)濟(jì)價(jià)值的化合物。 最終產(chǎn)物是由微生物細(xì)胞的酶或酶系對(duì)底物某一特定部位進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而形成的。265、微生物特殊機(jī)能的利用 利用微生物消除環(huán)境污染 利用微生物發(fā)

13、酵保持生態(tài)平衡 微生物濕法冶金 利用基因工程菌株開(kāi)拓發(fā)酵工程新領(lǐng)域。27發(fā)酵工業(yè)簡(jiǎn)介發(fā)酵工業(yè)簡(jiǎn)介 發(fā)酵食品發(fā)酵食品 有機(jī)酸有機(jī)酸 氨基酸氨基酸 核酸類(lèi)物質(zhì)核酸類(lèi)物質(zhì) 酶制劑酶制劑 醫(yī)藥工業(yè)（抗生素醫(yī)藥工業(yè)（抗生素） 飼料工業(yè)（單細(xì)胞蛋白飼料工業(yè)（單細(xì)胞蛋白 環(huán)境工程（廢物處理）環(huán)境工程（廢物處理） 其它其它 （冶金工業(yè)（冶金工業(yè)） Fermentation Industry Fermented Foods Organic Acids Amino Acids Nucleotides Enzymes Pharmaceutical (Antibiotics) Feedstuff (eg. SCP)

14、Environmental Application (Waste Treatment) Others (eg. Metallurgical industry)28五、發(fā)酵工業(yè)的特征 發(fā)酵過(guò)程中離不開(kāi)微生物的作用1、發(fā)酵原料的選擇及預(yù)處理2、微生物菌種的選育及擴(kuò)大培養(yǎng)3、發(fā)酵設(shè)備選擇及工藝條件控制：常溫、常壓。種子擴(kuò)大培養(yǎng)和發(fā)酵采用不同的工藝。4、發(fā)酵產(chǎn)物的分離提取5、發(fā)酵廢物的回收和利用29(1)發(fā)酵所用的原料通常以淀粉、糖蜜或其他農(nóng)副產(chǎn)品為主，只要加入少量的有機(jī)和無(wú)機(jī)氮源就可進(jìn)行反應(yīng)?？梢岳脧U水和廢物等作為發(fā)酵的原料進(jìn)行生物資源的改造和更新。(2)微生物菌種是進(jìn)行發(fā)酵的根本因素，通過(guò)變異和

15、菌種選育，可以獲得高產(chǎn)的優(yōu)良菌株并使生產(chǎn)設(shè)備得到充分利用，也可以因此獲得按常規(guī)方法難以生產(chǎn)的產(chǎn)品。30(3)發(fā)酵過(guò)程一般來(lái)說(shuō)都是在常溫常壓下進(jìn)行的生物化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)安全，要求條件簡(jiǎn)單。(4)發(fā)酵對(duì)雜菌的污染的防治至關(guān)重要。反應(yīng)必需在無(wú)菌條件下進(jìn)行。(5)由于生物體本身所具有的反應(yīng)機(jī)制，能夠?qū)Ｒ坏睾透叨冗x擇性地對(duì)某些較為復(fù)雜的化合物進(jìn)行特定部位地氧化、還原等化學(xué)轉(zhuǎn)化反應(yīng)，也可以產(chǎn)生比較復(fù)雜的高分子化合物。31(6)發(fā)酵過(guò)程是通過(guò)生物體的自動(dòng)調(diào)節(jié)方式來(lái)完成的，反應(yīng)的專(zhuān)一性強(qiáng)，因而可以得到較為單一的代謝產(chǎn)物。(7) 工業(yè)發(fā)酵與其他工業(yè)相比，投資少，見(jiàn)效快，并可以取得較顯著的經(jīng)濟(jì)效益。(8) 除利用微

16、生物外，還可以用動(dòng)植物細(xì)胞和酶，也可以用人工構(gòu)建的遺傳工程菌進(jìn)行反應(yīng)。32六、發(fā)酵方法的類(lèi)別與流程 1、類(lèi)別： 根據(jù)對(duì)氧的需要區(qū)分： 厭氧和有氧發(fā)酵 根據(jù)培養(yǎng)基物理性狀區(qū)分： 液體和固體發(fā)酵 根據(jù)從微生物生長(zhǎng)特性區(qū)分： 分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵332、發(fā)酵的流程空氣空氣凈化處理保藏菌種斜面活化擴(kuò)大培養(yǎng)種子罐主發(fā)酵碳源、氮源、無(wú)機(jī)鹽等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)滅菌產(chǎn)物分離純化成品342. 工業(yè)發(fā)酵步驟和工藝流程(1) 用作培養(yǎng)菌種及擴(kuò)大生產(chǎn)的發(fā)酵罐的培養(yǎng)基的配制(2) 培養(yǎng)基、發(fā)酵罐以及輔助設(shè)備的消毒滅菌(3) 將已培養(yǎng)好的有活性的純菌株以一定量轉(zhuǎn)接到發(fā) 酵罐中(4) 將接種到發(fā)酵罐中的菌株控制在最適條件下生長(zhǎng)并形成代

17、謝產(chǎn)物(5) 將產(chǎn)物抽提并進(jìn)行精制，以得到合格的產(chǎn)品(6) 回收或處理發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的廢物和廢水35菌種篩選菌種篩選搖瓶試驗(yàn)搖瓶試驗(yàn)發(fā)酵罐試驗(yàn)發(fā)酵罐試驗(yàn)362.1發(fā)酵原料的預(yù)處理原料不同處理方法也有所差異。1. 淀粉利用前需變成糊精或葡萄糖方法：酸水解（高壓、耐酸）、酶水解法2. 糖蜜加熱殺菌和用水沖稀，也可加酸處理后再補(bǔ)充無(wú)機(jī)鹽3. 碳?xì)浠衔铮菏兔撓炓欢s分的石油經(jīng)冷卻脫蠟而獲得的凝固點(diǎn)在-10的油，加入適量無(wú)機(jī)鹽進(jìn)行接種發(fā)酵372.2菌種斜面培養(yǎng) 菌種：已有的優(yōu)良生產(chǎn)菌種和選育的新菌種 方法：一般都是由保存于冷凍管及砂土管或冰箱中的斜面菌種開(kāi)始，在正式使用前要先轉(zhuǎn)接到新鮮斜面培養(yǎng)基上活

18、化后，再用于種子擴(kuò)大培養(yǎng)。382.3 種子擴(kuò)大培養(yǎng) 擴(kuò)大培養(yǎng)的方法可以根據(jù)需要采用固體培養(yǎng)或液體培養(yǎng)兩級(jí)不同方式。 固體種子擴(kuò)大培養(yǎng)一般采用傳統(tǒng)的制曲工藝，一般先用克氏瓶或匣子瓶進(jìn)行擴(kuò)大，再轉(zhuǎn)接到曲盤(pán)擴(kuò)大培養(yǎng)。 需氧微生物：將克氏瓶表面培養(yǎng)的菌種接到裝有液體培養(yǎng)基的三角瓶中，在搖慶上振蕩培養(yǎng)。厭氧微生物：將有菌種的試管斜面或克氏瓶轉(zhuǎn)接到三角瓶液體培養(yǎng)基中靜置培養(yǎng)。392.4 微生物發(fā)酵和控制 發(fā)酵方式可分為固體發(fā)酵和液體發(fā)酵兩種。 固體發(fā)酵：適合于傳統(tǒng)發(fā)酵工藝及鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)用來(lái)生產(chǎn)比較簡(jiǎn)單的產(chǎn)品。 液體深層發(fā)酵：適合于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。 影響發(fā)酵的因素很多，如溫度、pH、通風(fēng)、攪拌、罐壓力等等，必須適當(dāng)?shù)乜刂朴绊懓l(fā)酵的各種條件，掌握發(fā)酵的動(dòng)態(tài)，并進(jìn)行雜菌的檢查和產(chǎn)物測(cè)定，使整個(gè)發(fā)酵過(guò)程順利進(jìn)行